长宁—威远区块页岩气水平井PDC 钻头优选分析

2020-02-26樊思成周学超

设备管理与维修 2020年1期

樊思成，周学超，邓阳

（渤海石油装备制造有限公司，天津 300457）

0 引言

四川长宁—威远页岩气区块是我国第一个国家级页岩气示范区，第一口页岩气井（威201 井）于2010 年钻成投产，自此拉开了四川非常规页岩气资源开发的序幕，2016 年示范区生产页岩气10 亿m3，预测至2035 年底长宁—威远累计产气300 亿m3，开发前景广阔[1]。

1 区块现状

近年来，针对非常规油气资源低成本、快速钻井需求，国外发展形成了“工厂化”钻井模式和技术，在页岩气开发中发挥了极其重要的作用，成为了高效开发非常规油气资源的重要工程手段之一。但是四川页岩气产层地质条件复杂、埋藏深、多层段漏失严重，下部地层研磨性强，可钻性差，机械钻速低且单只钻头进尺短，水平段托压现象频发。所钻水平井水平段需要3 趟钻以上才能完成，难以满足非常规油气藏的规模效益开发，急需开展高效个性化PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金刚石复合片）钻头优选工作研究。

2 PDC 钻头优选依据

目前常用于钻头优选的依据主要有以下3 种[2]：

（1）对于地层差异较小的同井区井，可根据邻井的实钻资料，对地层钻进难易程度及钻头类型进行评价，从而优选钻头。

（2）根据岩心的资料确定相关指标，从而确定岩石力学性能，如岩石的强度、硬度以及其可钻性，分析相关指标与钻头类型之间的关系，优选钻头。

（3）利用测井数据分析岩石的可钻性级值，建立其与钻头类型经验对应关系，从而优选钻头。

本文采用的是第三种选型方法。

3 目标地层岩石可钻性分析

声波测井曲线是反映声波时差与岩石的强度、硬度和弹塑性等之间的关系，而岩石可钻性是岩石抵抗钻井工具的破碎能力，同时受岩石各种机械力学性质的影响。声波测井曲线和岩石可钻性都反映了岩石力学的性质，是同一事物的不同体现。

根据弹性波理论，岩石的声波时差与岩石的弹性模量、密度、泊松比等参数有关，其大小反映了岩石的强度、弹性及硬度，而地层岩石的可钻性也受这些参数影响。因此，从理论角度考虑，利用测井资料的声波时差可以建立地层的可钻性剖面。

岩石纵波波速与地层力学特性参数关系见式（1），岩石横波波速与地层力学特性参数关系见式（2）。

式中 VP——岩石纵波波速，m/s

VS——岩石横波波速，m/s

E——弹性模量，MPa

μ——泊松比

ρ——体积密度，g/cm3

纵波波速与纵波时差∆tP的关系为∆tP=1/VP。

地层岩石的纵波时差可以由声波测井资料获得，所以，可以通过建立岩石声波时差与岩石可钻性关系的模型，进而由测井资料进行岩石可钻性研究。由此，通过大量的实际测井资料和钻井资料的统计，分析建立了岩石可钻性与岩石声波时差的统计关系模型：

式中 Kd——岩石可钻性

∆tP——纵波时差，μs/m

a、b——线性回归系数

根据上面的理论，利用测井数据和专业软件进行了计算，如图1 和图2 所示，长宁—威远区块二开井段可钻性极值在3～7，三开井段地层的可钻性极值5～6 左右。二开井段的雷口坡—嘉陵江—飞仙关—长兴组及三开井段的龙马溪地层可钻性较好，二开井段的龙潭—茅口—栖霞以及三开井段的韩家店—石牛栏地层可钻性差。

4 PDC 钻头优选结果

根据钻头的优选依据及评价方法，利用目标地层的可钻性剖面数据，建立其与钻头类型的对应关系，对长宁—威远区块水平井二开及三开井段PDC 钻头进行了优选，结果如下：

（1）二开12 1/4″井段钻头特征，如图3 所示：①采用钢体式、中锥抛物线冠型、五刀翼、后排锥齿设计；②采用Φ16 mm复合片，中高等布齿密度设计；③增加保径部位减震托布置，加强保径设计；④采用综合性切削齿。

图1 页岩气井12 1/4″井段地层可钻性剖面

图2 页岩气井8 1/2″井段地层可钻性剖面

图3 二开12 1/4″井段钻头优选

图4 三开8 1/2″井段钻头优选

（2）三开8 1/2″井段钻头特征如图4 所示：①采用胎体式，深锥抛物线冠型、五刀翼、单排齿设计；②采用Φ16 mm 复合片，中等布齿密度设计；③芯部及保径部位增加后排减震托设计；④采用抗冲击切削齿；⑤加强保径及倒划眼设计。

5 现场应用

2018 年6 月在四川长宁页岩气区块的长宁H21-9 井现场应用，利用上述方法优选的12 1/4″井段钻头自井深429 m 入井，钻至井深976 m 由于井漏起钻，累积进尺547 m，平均机械钻速21.5 m/h，钻头出井状态良好，基本无磨损（图5）。同平台的H21-8 井同井段使用的其他厂家钻头机械钻速为17.1 m/h，同比提高了26%，使用效果理想。

2017 年12 月在四川威远页岩气区块的威204H10-2 井现场应用，利用上述方法优选的8 1/2″井段钻头自井深4285 m入井，钻至井深5075 m 完钻，累积进尺790 m 水平段，平均机械钻速10.8 m/h，钻头1 号刀翼芯部第一颗齿崩碎，其余齿完好（图6）。同平台的H10-3 井同井段使用的其他厂家钻头机械钻速8.6 m/h，同比提高了25%。